CN104459622A - 一种空间位置确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光谱传感器的空间位置确定方法和装置，包括发光模块、光谱传感模块、电信号处理模块、定位模块，所述发光模块被固定于空间中一个位置，光谱传感模块附着于目标物，电信号处理模块分别与光谱传感模块、定位模块电连接。本发明可广泛用于快速精确地确定人或物的地理和空间位置：既可以独立使用作为增强现实系统中的位置传感器或者用来确定特定目标物在特定空间中位置，用于如老人儿童监护、物流传感器等领域置，也可作为基于无线电波的地理位置信息系统的补充，用于确定地理位置信息系统无线电波不能覆盖或者是限制无线电波使用的特殊场所，如建筑物内或者医疗监护室内空间位置的确定。

Description

一种空间位置确定方法和装置

技术领域

本发明涉及位置传感及光电技术，具体涉及基于光谱传感的空间位置探测技术，特别是探测空间中发光光源特征光谱强度分布，以确定测量点相对于光源的空间位置。在有多个具有特征光谱光源的条件下，即可特定光谱传感器的空间位置。该装置可作为基于无线电波的地理位置信息系统的补充，用于确定地理位置信息系统无线电波不能覆盖或者是限制无线电波使用的特殊场所，如建筑物内或者医疗监护室内空间和地理位置的确定，也可用来快速精确地确定目标物在特定空间中的位置,应用于老人儿童监护、物联网传感器、增强现实系统中的位置传感器等领域。

背景技术

位置信息的服务和数据越来越受到人们的关注，也形成了一个超万亿的市场。基于卫星的全球定位技术和产品最早进入人们日常生活，为人们提供地理位置、导航以及各种军事民事应用服务，这些系统包括美国的GPS、中国的北斗、欧洲的伽利略以及俄罗斯的GLONASS。利用卫星进行定位的优势是信号有效覆盖范围大，但是定位器终端的成本较高，定位信号易受天气影响，不能有效覆盖建筑物内部或者被厚的物体阻隔的地方。因此，像建筑物内部大型公共场所如机场、展览馆、仓库、超市、图书馆，地下环境如地下停车场、矿井，移动设施内如火车、飞机、轮船等场所，这些定位系统的应用就受到极大限制。一些室内定位技术，如借助于通讯用无线信号源A-GPS、WII、射频识别、超宽带、无线局域网络等定位，采用超声波、红外线、光跟踪、图像分析等定位技术也越来越多地被用来作为卫星定位技术的补充。但这些系统各有优缺点，超声波和红外线定位技术定位精度高但易于受到干扰，而且需要专门加装设备，成本较高；基于无线信号的定位技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，有助于实现快速定位，但定位精度较低，复杂和大量的电磁波环境也对人体健康带来负面影响。在一些特殊场合，如医院监护、易燃易爆环境等对无线电波使用还有限制。因此，新型的不借助于无线电波的定位技术开始吸引更多人的注意，其中特别是基于LED的通讯和定位技术值得关注。LED作为节能环保的半导体照明光源随着成本的下降和产业链的完善，开始加速进入日常应用中。如果能将照明用LED作为通讯和照明的载体就可以节约大量设备费用，同时也特别安全，不会产生不必要的电磁波，避免对人和动物的伤害。美国的Bytelight公司，韩国的三星公司，日本的很多大公司和大学组成的产学研联合体都投入了大量的财力物力用于研发基于LED照明的通信和定位技术。这些技术基于照明用白光LED光源，通过加装设备调制LED发光频率，借助于通用光电传感器或者CMOS图像传感技术来接受光信号，通过运算来实现信号解调制和消除背景光等噪音干扰，目前已经有了应用产品。但这些技术和产品共同缺点是运算复杂，信号受背景光影响比较大，定位精度低。并且采用LED加荧光粉作为白光光源的另一个潜在影响因素是LED发出蓝光与荧光粉受激发的产生的黄光等在时间上并不同步，这加大了数学处理的难度，并有可能限制基于此类方法的传输速度。

本发明在研究光源特性特别是半导体发光器件如LED发光光谱特性基础上，采用具有窄带响应的光谱传感器探测发光器件的特征光谱强度，发明了一种基于特征光谱和光谱传感器的定位方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光谱传感和光源特征信息来确定空间位置的方法和装置，以便使用者或者其它用户能及时了解全球定位系统信号无法覆盖的被定位目标所处空间位置，或者独立为增强现实应用提供目标物的位置信息。

为达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种空间位置确定方法，发光模块发出具有特征光谱的光信号，光谱传感器检测发光模块所发出的特征光谱信号并被附着于被定位目标上，电信号处理模块读取光谱传感器得到的电信号并进行电学处理，定位模块将经过电信号处理模块的电信号经过运算确定光谱传感器及其附着被定位目标的位置；通过测定三组或者三组以上所述半导体光源和光谱传感器测定特征光谱强度关系，通过电信号处理器确定光谱传感器及所附着目标物的空间位置。

其中，发光模块发出的光具有特征光谱，即该发光模块所发出的光在光波波长范围内具有能够识别的特征强度分布，包括但不限于单一特征谱线或者多个特征谱线强度，或者多个特征谱线间的确定强度的强度比例关系，如图1所示的白光LED光谱分布。

其中，发光模块所发出的特征谱线强度随着离开发光模块的距离具有确定的空间分布，通过测定在空间中该发光模块特征光谱强度，可以知道测定点和发光模块间的距离关系；这种关系既可以表述为强度和距离相关函数，也可以通过实际测定空间中各个位置发光模块特征谱强度，并将数据储存。

其中，发光模块包括光源和光源调制器，光源调制器用于调节光源发光变化。

其中，发光模块为加电后能发出光的器件，包括各种气体灯、半导体发光器件。

其中，发光模块的光源为半导体光源，其发光强度或者波长可以通过调节电流、电压而发生变化，这种变化是有规律并且可控的，可以用来传递信息，通常光源采用LED、OLED但不限于半导体光源。

其中，光源发光在光源调节器的作用下，发光强度或者频率或者脉冲宽度发生变化。

其中，光谱传感模块是具有窄带响应的光电传感器，其响应曲线基于光源特征谱线波长范围及其强度分布。

其中，光谱传感模块是由光谱波长选择功能的光学带通滤波器或者光子晶体与光电传感器组成的分立器件组合或者是集成器件，能通过滤波器或者光子晶体的光波波长范围应与光源的特征谱波长范围相匹配，并且对这些波长范围内光谱有较高的透射率，超出这些波长范围以外的光谱几乎不通过。

其中，光电传感器包括单质半导体、化合物半导体、有机半导体、高分子半导体构成的光电传感器光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器。

其中，电信号处理模块将由光谱传感模块得到的电信号，经过放大、数模转换等运算，并将运算后的电信号，通过无线或有线的方式发送给后续定位模块。

其中，定位模块由处理器构成，完成背景消除、信号数据提取、定位分析等功能，依据所述的发光模块的强度分布函数关系或者实测数据，比较光谱传感模块所测得特征谱强度，通过计算确定光谱传感模块及其附着被定位目标物最接近发光模块的相对位置。

其中，定位模块将三组或者三组以上所述光谱传感模块测定对应的发光模块的特征光谱强度，依据各自的强度分布和空间位置关系，确定光谱传感器及所附着目标物在空间中相对于发光模块的精确位置。

以上所述是获取光谱传感器即被定为目标物相对于发光模块的位置信息的方法和装置。如果要获取绝对位置信息，只需要在所述装置中加入光源调制器和信号解调器即可实现。光源调制器通过调制发光模块的发光特征变化，如发光强度、发光频率、发光脉冲持续时间及脉冲宽度等特征参数，加载发光模块的位置信息，光谱传感器接收这些经过调制的光信息，并将其转化为电信号，经过电信号处理模块的电信号通过信号解调器解调获取这些发光模块的位置信息，并将信息传递给定位模块。

本发明的一种采用以上方法确定空间位置的光电装置，包括发光模块、光谱传感模块、电信号处理模块，定位模块，

发光模块用于发出具有特定波长强度分布的光谱；

光谱传感模块用于探测发光模块所发出的特征光谱信号，并将光谱信号转换为电信号；

电信号处理模块用于读取和处理光谱传感器的电信号，并传送给后续定位模块；

定位模块通过处理，分析比较与已知光源强度分布关系，确定光谱传感模块及其附着被定为目标物位置。

所述发光模块被固定于空间且发光面向光谱传感模块一侧，光谱传感模块附着于目标物，电信号处理模块分别与光谱传感模块、定位模块电连接。

由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：

1）本发明采用光信号作为定位媒介，可以消除无线信号电磁干扰，扩大了定位设备的使用范围。

2）本发明采用具有特征光谱的发光模块，可以将其特征光谱将连续分布的自然光或者其它不具有该特征的光区别开来，减少其它光源光谱干扰。

3）本发明采用光谱传感模块来测定可以简单地得到发光模块特征光谱的强度，降低特征光谱以外光对所测强度的干扰，降低了测定信号的噪音。

4）本发明采用小型化光谱传感模块作为探测光谱强度的器件可以方便地附着于被定位目标物。

5）本发明采用基于光源调制器实现基于光谱传感器的信息传输，可以获取被定位目标的绝对位置信息。

6）本发明的光电装置结构简单，配置灵活，适应范围广。该装置既可以用于卫星定位系统的补充，也可以独立构成系统用于增强现实位置定位或者特殊目标特殊场所的定位。

附图说明

图1：白光LED的光谱强度分布图；

图2：本发明原理图

图3：本发明的结构方框图；

图4：本发明的实施例一的示意图；

图5：本发明的实施例二的示意图。

图中：1发光模块；11第一组发光模块；12第二组发光模块；13第三组发光模块；2光谱传感模块；21第一组光谱传感模块；22第二组光谱传感模块；23第三组光谱传感模块；3电信号处理模块；4定位模块;51光源调制器；52光源调制器；53光源调制器。

具体实施方式

本发明就使用不同色谱LED作为光源的定位方法和装置说明本发明的实施方式。

我们知道，一个发光源所发出的光线强度随着观测点离开光源距离而减小,如一个点光源其强度和离开光源的距离平方成反比。这种强度分布函数关系可以表示为公式：

I=I₀f(1/R)      （1）

其中，I₀为一个常数；f表示函数关系，该函数关系可以通过实验测试和数学模拟分析确定；R为测量位置距离光源的距离，R又可以表示为测量点与光源位置的三维坐标关系:

R²=(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²     （2）

这里（x₀，y₀，z₀）为光源的位置坐标，如果光源位置在空间中固定不变，该位置坐标为已知。假如一个空间被三组不同特征波长光源所覆盖，而且这三组不同特征光源的位置固定，那么通过三组光谱传感器测定这三个光源在某一空间位置的强度，即可得到三个方程式（1）组成方程组：

I₁=I₀₁f(1/R₁)

I₂=I₀₂f(1/R₂)

I₃=I₀₁f(1/R₃)

通过元算即得到该位置相对于各自光源的距离R₁，R₂，R₃。将此三个R值代入方程（2），组成方程组，即可得到测量点的空间位置（x,y,z）。

以上通过公式说明了通过三组特征光源和对应的光谱传感器测量的强度来确定空间位置的基本原理。在实际应用中采用此方法确定空间位置精度和难度取决于光源强度空间分布函数以及光谱传感器所测定强度的准确度。如果光源强度空间分布函数不能简单确定，也可以通过储存测量每一个光源的空间强度分布，然后通过最小二乘法等运算确定最可能的空间位置。如对光源1在距离R₁₁处强度实测值为I₁₁,在距离R₁₂位置2强度实测值I₁₂；在需要确定光源覆盖空间中未知位置时，对应光源1的光谱传感器测得强度I_1r,如果I₁₁<I_1r<I₁₂,则I_1r对应位置就可能在R₁₁与R₁₂之间交叉的空间，见图1左边的图形阴影部分。同样，通过三组光源、三组光谱传感器数据即可确定测量点的最可能位置，见图2右边三组同心圆交叉的小三角形区域。如果进一步通过最小二乘法等运算，可以进一步精确确定待测点位置。

常见的基于蓝光LED加上黄色荧光粉的合成白光LED发光光谱入如图1所示，一个明显特征就是处于430-500nm有一个较强的峰。一般基于LED的定位或者通讯的光强度探测都是采用通用光电传感器，探测的是400-800nm范围内光线强度，该范围依据光电传感器响应曲线的差别。一般可见光包括来源于太阳的自然光都处于这一范围之内。因此，如果探测这样宽范围的光线强度，从中取出LED的发光信号，就容易受到来自于其它光源包括自然光的影响。这就对信号处理提出了非常高的要求。本发明采用探测位于430-500nm波段范围内特征峰强度的技术路径就可以大大降低环境光对信号光的影响，提高信号检出的准确性和可靠性。可以注意到，相当于50%最高强度的处对应的波长范围即半高峰宽（FWHM,Full-Width-Half-Maxium）所对应的波长范围为450-475nm左右，本发明所采用的光谱传感模块的检测就设定在这一段波长范围。同样，对单一色谱的LED，确定特征谱更加方便，常见的单一色谱LED通常的中心波长如：紫外380nm，蓝色460nm，绿色540nm,红色600nm，红外850和1350nm。采用相应的光谱传感模块就可以测定这些LED在空间中的强度，选择合适的半高峰款，就可以使强度检测基本不受其它波长LED的发光干扰。

位置固定的光源模块在空间中的强度分布是指光源所发出的光随着其离开光源距离而变化。光源的空间强度分布可以通过光学设计来调整，而且只要光源的位置及工作条件不变和没有障碍物或反射物的情况下，这种分布就不会发生改变。采用光谱传感模块来测定空间中该光源的强度分布可以将光源空间强度表述为相对于测量点的距离的函数关系，如强度分布函数关系公式（1）。以单一光源强度分布简化为球形为例，如果两组光谱传感模块测得一个点两种不同光源的强度，该强度信号经过电信号处理模块之后，变成定位模块可以识别和使用的电信号，定位模块处理这些电信号，提取数据，经过运算就可以通过确定这个点在空间中两个可能的位置；如果加上第三组光谱传感器测得的第三个光源在测定点的强度，就可以通过定位模块计算确定该测量点唯一的空间位置。

上述方法和装置所确定的位置是测量点相对于光源模块的空间位置。如果要确定绝对位置，就要知道光源模块的绝对位置。而该位置信息是可以通过改变发光频率和发光间隔持续时间的的方法传给光谱传感器的，只需要在所述装置中加入光源调制器和信号解调器即可实现。在发光模块上加上光源调制器，改变发光模块每一发光脉冲的频率和脉冲宽度，如图所示，可以将发光模块的位置信息加载到所发出的脉冲光上。光谱传感器接收这些经过调制的光信息，并将其转化为脉冲的电信号，经过电信号处理模块的电信号通过信号解调器解调，按照设定好的通讯协议编码方式，获取位置信息，并将信息传递给定位模块，即可计算得到测量点的绝对位置。

图3为依照上述方法所设计的光电装置，包括最少三组发光模块、对应于发光模块特征光谱的光谱传感模块、电信号处理单元、定位模块，所述光谱传感模块位于发光模块出射光的一侧，电信号处理模块与光谱传感模块电连接。

发光模块的核心发光元件采用LED，经过适当的配光设计，使得所有发光模块或其组合所发出的光能覆盖所定位区域。其中，依据定位目标物和所覆盖区域差别，LED发光器件可以采用从紫外、可见光、红外所有波长范围的半导体发光器件，或者是不同波段LED的组合。

光谱传感模块采用波段选择器和光电传感器集成封装的光谱传感器。其中波段选择器是从入射光中将需要检测的目标波段选择出来的光学器件；比如蓝光通常的波段范围在450nm左右，该单元作用就是将450nm波段范围的光谱选择出来，并投射给后续单元。波段选择器此处采用光学带通滤波器（band-pass filter）。光电传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号电子器件，可供选择的光电传感单元有以下但不限于以下几种：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器CID（ChargeInjection Device）。光电传感器的响应曲线应和波长选择单元所选择的波长相匹配，即在波段选择单元所选择的波长范围里有尽可能大的响应；如在短波长范围应选用Ge基，GaN基光电传感器，而在长波长范围应选择使用Si基光电传感器；光电传感单元的响应曲线应和要在所测波长范围内由比较均一的响应。所述单质基光电传感器，化合物基光电传感器，如PN的材料采用单质Ge、Si，化合物GaN、GaAs、CdS的光电二级管。

电信号处理模块将由光谱传感模块得到的电信号通过电路进一步转换成能被后续装置处理或使用的电信号后，并通过有线或无线的方式传送至后续装置；电信号处理模块通常实现但不限于以下功能：反相、模数转换、比较器、接口、信号调制和无线发射；

定位模块采用MCU或CPU等处理器作为硬件，结合软件对强度信号及持续间隔进行处理，通过背景扣除、解卷积、比较、内插、迭代、回归等运算得到位置信息。通过定位模块，可以直观地知道被定位目标的位置。

光源调制器可以采用PWM控制器（pulse-width-modulator），用来调节发光周期和间隔时间。

信号解调器的作用是根据通讯协议和确定数据格式，提起转换为电信号的光信号中所传递的信息。该信号解调器可以和定位模块集成，共同完成定位功能。

本发明中的各模块数量根据需要进行灵活配置。例如要同时测定多个被定位目标的位置，可以配置多个光谱传感模块；如果要对大面积范围内目标进行定位，可以配置多组带有光源调制器的发光模块，使得所发出的光能覆盖所关心的区域；还可以通过加一个光谱传感器以测试非上述特征谱以外的一段谱线光谱强度，以达到扣除背景光干扰的目的，进一步提高定位精度。该装置还可以通过光源调制器构成具有通讯功能及内容传送能力的通讯工具，将光源的绝对地理坐标传送给定位模块，以确定测量点的绝对位置。光谱传感模块、电信号处理模块、定位模块可以集成在移动终端如智能手机、平板电脑上，增强这些工具的定位功能。

实施例一

图4本发明的一种基于三种具有特征谱的发光模块和相应光谱传感模块确定空间位置的光电装置。为减少使用者对单色光的敏感和刺激，本实施例采用三组复合发光模块，但这同样适用于单色光模块。三组复合发光模块分别是：一组是蓝光+黄色荧光粉构成的复合白光模块，选用检测450nm左右蓝光光谱传感器作为对应的光谱传感模块；一组是绿光加红光构成的复合白光模块，采用540nm左右的光谱传感器作为光谱检测模块；第三组采用红外二极管作为发光模块，其波长在850nm左右，选择用850nm光谱传感器作为光谱传感模块。各个发光模块经过几何光学设计，都有比较均匀发光强度空间分布。三组发光模块被固定于定位空间中，三组光谱传感器、电信号处理器装成在一起构成一个小型位置传感器。在定位使用之前，使用位置传感器测量空间中各个位置处三个光谱的强度电信号数据，并将这些空间位置及该位置处的三个光谱强度对应关系存储于定位模块中。在完成这些数据准备之后，可以将位置传感器附着于被定位物上，实现空间位置定位。实际定位中，被定位物上将由光谱传感器和电信号处理器组成的位置传感器所测到的强度电信号，通过无线的方式传给定位模块，定位模块通过比较前面测定已知的强度位置关系，选用最接近测量值的位置，经过内插等运算，即可得到被定位物的位置。光谱传感器、信号处理器和定为模块可以进一步集成在一起，以方便使用者实时地确定自己的空间位置，而且这些位置实时位置信息可以传给中央处理器，以便记录、跟踪和监控被定位物的位置，以及处理定位物的位置信息，实现增强现实中的互动。

实施例二

图5是本发明具有光源调制器定位装置。在该实施例中，三组光源都采用蓝光加黄色荧光粉的白色LED，但是光源调制器具有不同的震荡频率，这就决定了虽然光源为同一种，但每一个光源的发光周期和频率却是不同的即具有不同发光特征。三组光源调制器接收按设定格式编码如地理位置等信息，通过PWM控制器的光源调制器将这些信息调制在光源发出的光上。通过这种方式使得发光模块发出的光被加载了信息。光谱传感模块中的光谱敏感范围设定在蓝光波长范围内，即中心波长450nm、FWHM为20nm的光谱传感器来接收这些不同发光频率并包含信息的光信号，并转换为电信号。这里的电信号同样也是随着光信号变化的，这种变化蕴含了调制的如地理位置等信息。电信号经过电信号处理模块处理后，被送入定位模块。定位模块的处理器对电信号进行解卷积、扣除背景等运算处理后，得到了三组反映各个光源特征的电信号，即三组强度相对时间分布信号。处理器接着根据通讯协议和确定数据格式，将加载在变化的电信号解调，提起三组电信号中所传递的信息，得到发光模块的位置信息。并将这些位置信息结合强度信号所得到的被定为目标相对于发光模块的位置信息，就可以得到被定为目标物的绝对位置。

本发明可广泛用于快速精确地确定人或物的地理和空间位置：既可以独立使用作为增强现实系统中的位置传感器或者用来确定特定目标物在特定空间中位置，用于如老人儿童监护、物流传感器等领域置，也可作为基于无线电波的地理位置信息系统的补充，用于确定地理位置信息系统无线电波不能覆盖或者是限制无线电波使用的特殊场所，如建筑物内或者医疗监护室内空间位置的确定。

从本发明的装置和方法以及实例的说明可以看出，本发明提供了基于光源强度分布和光谱传感技术来确定被定位目标位置的方法和装置，本方法和装置具有简单，灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。

Claims (10)

1.一种空间位置确定方法，其特征在于：发光模块发出具有特征光谱的光信号，光谱传感模块检测发光模块所发出的特征光谱信号并被附着于被定位目标上，电信号处理模块读取光谱传感模块得到的电信号并对电信号进行处理，定位模块将经过电信号处理模块的电信号经过运算确定光谱传感模块及其附着被定位目标的位置。

2.如权利1所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：发光模块所发出的光在光波波长范围内具有能够识别的单一特征谱线或者多个特征谱线特征强度分布。

3.如权利1所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：发光模块所发出的特征谱线强度随着离开发光模块的距离具有确定的空间分布。

4.如权利1所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：发光模块包括光源和光源调制器，光源调制器用于调节光源发光变化。

5.如权利1－4中任一所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：发光模块的光源为半导体光源。

6.如权利4所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：光源发光在光源调节器的作用下，发光强度或者频率或者脉冲宽度发生变化。

7.如权利1所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：光谱传感器是具有窄带响应的光电传感器，其响应曲线基于光源特征谱线波长强度分布。

8.如权利1或7所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：光谱传感模块是由光谱波长选择功能的光学带通滤波器或者光子晶体与光电传感器组成的组合器件或者是集成器件。

9.如权利1所述的一种空间位置确定方法，其特征在于：通过测定三组或者三组以上所述半导体光源和光谱传感器测定特征光谱强度关系，通过电信号处理器确定光谱传感器及所附着目标物的空间位置。

10.一种采用以上方法确定空间位置的光电装置，其特征在于：包括发光模块、光谱传感模块、电信号处理模块，定位模块，

发光模块用于发出具有特定波长强度分布的光谱；

光谱传感模块用于探测发光模块所发出的特征光谱信号，并将光谱信号转换为电信号；

电信号处理模块用于读取和处理光谱传感器的电信号，并传送给后续定位模块；

定位模块通过处理，分析比较与已知光源强度分布关系，确定光谱传感模块及其附着被定为目标物位置。

所述发光模块被固定于空间且发光面向光谱传感模块一侧，光谱传感模块附着于目标物，电信号处理模块分别与光谱传感模块、定位模块电连接。